Une règle idéale pour mesurer la lumière au Canada

Pour les scientifiques du CRNC, faire la lumière n'est jamais facile. En effet, ils ne peuvent s'empêcher de demander la sorte ou la quantité de lumière. On comprend donc facilement leur enthousiasme devant un nouvel instrument appelé à devenir la meilleure règle du Canada pour mesurer la lumière.

Baptisé « corps noir à ultra haute température », ce rare outil de physique en train d'être peaufiné à l'Institut des étalons nationaux de mesure du Canada (IENM-CNRC), à Ottawa, sera bientôt l'un des moyens les plus précis au monde pour mesurer les rayonnements ultraviolets (UV). Doser les UV est une tâche essentielle à maints égards pour la santé et l'environnement, mais aussi pour de nouvelles technologies industrielles et les contraintes de la réglementation au niveau des échanges commerciaux internationaux.

Même si son nom évoque la température, cet outil mesure la lumière. Tous les objets émettent un rayonnement électromagnétique sous une forme quelconque. Celui du corps noir à ultra haute température se situe surtout dans la partie optique du spectre, qui va de l'infrarouge aux UV en passant par les couleurs visibles. Pendant que vous lisez cet article à la température ambiante, votre corps émet des rayonnements infrarouges invisibles qu'on pourrait néanmoins percevoir avec des lunettes infrarouges dites « de vision nocturne ». La particularité du corps noir est qu'il est un émetteur parfait. Chauffé à n'importe quelle température, il émet une quantité précise d'énergie à chaque longueur d'onde du spectre. Par conséquent, il suffit de connaître sa température pour établir la quantité de lumière émise à une longueur d'onde donnée grâce à une simple équation de physique.

« Nous disposons désormais d'une source lumineuse dont on peut calculer la production absolue. Les métrologistes ont besoin d'une règle qui leur permet de mesurer les choses. Le corps noir à ultra haute température sera cette règle pour la lumière », explique Arnold Gaertner, agent de recherche de l'IENM-CNRC qui pilote le projet.

Cet équipement à la fine pointe de la technologie, fabriqué en Russie et installé en partie par deux techniciens de l'Institut de métrologie russe de Moscou, répondra à la demande croissante des Canadiens pour un étalonnage plus précis des UV. Pour émettre la dose exacte, les lampes UV doivent être étalonnées d'après une source connue. C'est ici qu'entre en jeu le corps noir à ultra haute température. Sachant la quantité de rayonnements UV qu'il émet, on s'en servira pour étalonner des capteurs UV que l'IENM-CNRC utilisera pour graduer les appareils UV du commerce.

Jusqu'à présent, les métrologistes du CNRC se servaient d'ampoules à incandescence comme étalons canadiens pour les rayonnements UV, visibles et infrarouges. Malheureusement, ces ampoules ne sont pas de parfaits émetteurs. Elles ne permettent pas non plus de mesurer la lumière sous 300 nanomètres de longueur d'onde. Cela revient un peu à utiliser un mètre sur lequel les centimètres et les millimètres ne sont pas indiqués passé la marque de 90 centimètres! En plus de mieux mesurer les rayonnements UV, le corps noir à ultra haute température accroîtra la précision des étalons lumineux de l'IENM-CNRC pour toutes les longueurs d'onde de la partie visible du spectre.

« Grâce au corps noir, nous décuplerons l'exactitude de nos systèmes d'étalonnage. Nous sommes emballés, car cela ouvrira la porte à de nouveaux projets de collaboration en R-D avec les secteurs canadiens qui mettent au point des technologies reposant sur les UV et qui procurent les services d'étalonnage avec traçabilité dont on a tant besoin », estime Joanne Zwinkels, chef du groupe de photométrie et de radiométrie de l'IENM-CNRC.

Le corps noir à ultra haute température exige des vérifications aussi méticuleuses qu'on peut imaginer pour un instrument appelé à fonctionner avec la plus grande précision et exactitude. M. Gaertner considère que ce projet est l'un des grands moments de ses 30 années de carrière au CNRC.

Une mesure précise des rayonnements UV concourt à la santé et à la sécurité des Canadiens

L'appauvrissement de la couche d'ozone dans la haute atmosphère augmente dangereusement la quantité de rayonnements UV solaires qui atteignent la Terre. Cette exposition accrue aux rayons UV a donné lieu à une incidence alarmante de cancers de la peau et de cataractes. Les rayonnements UV ont néanmoins aussi des effets bénéfiques pour la santé et des applications en sécurité. Ainsi, on s'en sert pour purifier l'eau, traiter les dents à la lumière, bronzer artificiellement, dispenser la thérapie photodynamique (traitement du psoriasis et de la jaunisse ou, plus récemment, nouveaux traitements contre le cancer du poumon par photoactivation), diagnostiquer des maladies ainsi que stériliser les fruits et les légumes afin d'en prolonger la conservation. Outre ces bienfaits pour la santé et la sécurité, on se sert de plus en plus des rayons UV dans diverses applications industrielles comme les essais non destructifs et l'inspection, le séchage des résines époxydes et la photofabrication. L'exploitation des rayons UV est l'un des secteurs qui connaît la plus forte croissance d'utilisation de rayonnements optiques dans l'industrie. Il est impérieux qu'on dispose de moyens pour mesurer avec précision et exactitude la quantité de ces rayonnements dans la fourchette de 200 à 400 nm afin d'appuyer les industries employant les technologies UV tout en veillant à la santé et à la sécurité de la population.

Au coeur du corps noir se trouve un tube creux d'un type particulier de graphite capable de résister à une température très élevée. Pour émettre les rayons UV souhaités, le coeur de graphite doit être chauffé à environ 3 230 °C, température à laquelle ne résiste presqu'aucun métal – d'où l'appellation corps noir à ultra haute température. On chauffe lentement le graphite pendant plusieurs heures, un peu comme l'élément d'une cuisinière – par le courant électrique qui le traverse. De nombreuses couches concentriques de toile de carbone refroidies à l'eau isolent le coeur de graphite.

À 3 230 ºC, la moindre molécule d'oxygène réagirait instantanément avec le graphite pour l'enflammer. C'est pourquoi durant l'opération le coeur est entièrement baigné dans de l'argon, un gaz inerte. La température adéquate atteinte, le corps noir émet un faisceau de lumière intense à travers un orifice d'à peine huit millimètres – faisceau qui deviendra bientôt l'étalon ultime de la lumière au Canada.

En plus de son rôle de mesurage des rayonnements UV, le corps noir pourrait servir à accroître le nombre de points fixes sur l'échelle de température, dans le cadre d'un projet international auquel participera le groupe de la thermométrie de l'IENM-CNRC. Les points fixes de température servent de points d'équivalence internationaux – ils sont identiques partout sur la planète. La plupart correspondent au point de fusion ou de congélation des métaux ultra purs. Pour l'instant, le point de congélation du cuivre pur (1 084,62 °C) est le plus haut point fixe. Grâce aux corps noirs à ultra haute température, les métrologistes de l'IENM-CNRC et leurs collègues de l'étranger espèrent augmenter le nombre de points fixes sur l'échelle de température en se servant d'eutectiques de métal et de carbone, c'est-à-dire des mélanges très structurés de métal et de carbone qui fondent à une température allant jusqu'à 3 200 °C.

La photométrie/radiométrie et les étalons de température figurent parmi les huit domaines de recherche en métrologie chimique et physique étudiés à l'IENM-CNRC. Les programmes de métrologie physique servent à créer, à maintenir, à améliorer et à diffuser les étalons pour les unités de base de masse, de longueur, de temps, d'électricité, de température et d'intensité lumineuse ainsi que plusieurs étalons dérivés. Le programme de métrologie chimique sert à développer et à maintenir des capacités de recherche de calibre mondial dans certaines branches d'analyse d'éléments organiques ou inorganiques à l'état de traces ainsi qu'à produire des matériaux de référence certifiés.

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